JPH04351200A - 圧電セラミックアクチュエータ駆動回路 - Google Patents

圧電セラミックアクチュエータ駆動回路

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JPH04351200A
JPH04351200A JP3124237A JP12423791A JPH04351200A JP H04351200 A JPH04351200 A JP H04351200A JP 3124237 A JP3124237 A JP 3124237A JP 12423791 A JP12423791 A JP 12423791A JP H04351200 A JPH04351200 A JP H04351200A
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JP
Japan
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ceramic actuator
piezoelectric ceramic
drive circuit
voltage
actuator
Prior art date
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JP3124237A
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English (en)
Inventor
Yoshihiro Goto
芳宏 後藤
Kozo Iwata
岩田 孝造
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Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Kansai Nippon Electric Co Ltd
Original Assignee
Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Kansai Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は圧電セラミックアクチュ
エータ等の容量性負荷を駆動する回路のうち、特に繰り
返し駆動するための駆動回路に関する。
【0002】
【従来の技術】圧電セラミックアクチュエータ(以下、
圧電アクチュエータと略称する)は、電圧を印加すると
セラミックの厚さ寸法が変化する圧電逆効果を利用した
アクチュエータであり、印加電圧に応じて高速でかつ高
精細な伸び量を制御することができるため、ガス流量弁
の開閉,X−Yテーブルの位置制御,射出成形機の樹脂
厚み調整,圧電式ドットプリンタヘッド等に使用されて
いる。
【0003】アクチュエータの動作としては、一定の伸
び量を長時間保持する場合と、伸縮の繰り返し動作をさ
せる場合の2通りに大別される。前者の場合、動作の最
初に充電電荷を供給すれば、その後の電荷供給はほとん
ど不要であり、直流電源回路が利用できる。一方、後者
の場合、繰り返し動作時のアクチュエータの充放電回路
を必要とする。
【0004】アクチュエータの駆動回路としては、本出
願人が先に出願した実開昭61−64619号に開示し
た図5(a)および図5(b)に示すスイッチング素子
を用いた駆動回路が一般的である。これらの例において
は、アクチュエータを充電するためのスイッチング素子
5,11に制御信号を加えることで、アクチュエータ9
には電流I1 が流れて充電され、アクチュエータ9は
その充電電荷量に応じた厚さ方向の歪を発生する。
【0005】一方、アクチュエータの充電電荷を放電し
、歪量を低減するためには、充電用スイッチング素子5
,11を切り、代わって放電用スイッチング素子6,1
2に制御信号を加えることで、電流I2 を流して実現
される。
【0006】アクチュエータ9を繰り返し動作させる場
合は、充放電用スイッチング素子5,11,6,12に
制御信号を交互に繰り返し加えれば実現することができ
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図5(b)
に示した駆動回路は、アクチュエータに印加する電圧を
変化させ、機械的変位を連続的に可変する用途には適し
ているが、スイッチング素子5,6内部で消費される電
力が大きいため、駆動電力の効率は低い。
【0008】一方、図5(a)に示した駆動回路は、電
流駆動が低入力インピーダンス動作で、印加電圧が一定
であるが、放電によるエネルギ損失が大きい。
【0009】また、いずれの駆動回路も、充放電時に多
大な充放電電流が流れるため、許容電流の大きなスイッ
チング素子を使用する必要があった。さらに、放電時の
電流を制限しスイッチング素子を保護するための放電抵
抗10を接続していた。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために提案するものである。本発明は圧電アクチュ
エータとリアクトルを直列に接続し、それからなる直列
共振回路の共振周波数が駆動周波数よりも高くなるよう
にリアクトルのインダクタンスを設定したこと,また圧
電アクチュエータの充放電スイッチング素子を遮断する
タイミングを、圧電アクチュエータに流れる電流が零に
なった時点とすること,さらに圧電アクチュエータに並
列にダイオードを接続し放電時に圧電アクチュエータに
負極性電圧が印加されないように印加電圧を既略零ボル
トにクランプすることを特徴とする。
【0011】
【作用】上記の構成によると、圧電アクチュエータの静
電容量をC,充電電圧をVcとすれば、圧電アクチュエ
ータ充電時に電源から供給されるエネルギは、リアクト
ルを使用しない場合、P1 =CVc2 であるのに対
し、リアクトル使用の場合、P2 =1/2CVc2 
にでき、計算上半分のエネルギを供給すればよい。さら
に、充放電時に充放電回路に流れる最大電流Ipc,I
pdは、スイッチング素子のインピーダンスをZswと
すれば、リアクトルを使用しない場合Ip=Vc/Zs
wであるのに対し、リアクトル使用の場合、
【式1】になる。Zswは一般的に小さいため、リアク
トルを使用しない場合、スイッチング素子を流れる電流
が非常に大きくなるが、リアクトルを使用することによ
りスイッチング素子を流れる最大電流値を低くすること
ができるので、許容電流の小さいスイッチング素子を使
用することができる。
【0012】一方、上記構成において、負極性の電圧が
印加されてしまう。圧電アクチュエータの印加電圧−変
位特性を図3に示す。
【0013】図3は、圧電アクチュエータの端子間に、
0ボルト→正極性電圧→0ボルト→負極性電圧→0ボル
ト→正極性電圧の順に電圧を印加した場合の、印加電圧
−変位特性を示している。
【0014】未分極の圧電アクチュエータは、印加電圧
を0ボルトから上げていくと抗電界までは変位しない(
図3■)。抗電界以上の電圧を印加すると、■のような
電圧−変位特性を示す。次に電圧を最高値から下げてい
くと■のような特性を示し、さらに負極性電圧を印加す
ると■→■のような特性を示す。このように、圧電アク
チュエータに正負両極性電圧を印加して動作させると、
電圧−変位特性に変曲点が生じ、動作を制御する上で不
都合である。圧電アクチュエータの一般的な電圧印加方
法は、片極性電圧を印加するものがほとんどであり、そ
の場合の電圧−変位特性は図3で、■→■→■のように
なり、印加電圧により変位量を制御しやすい。
【0015】そこで、本発明では前記構成において圧電
アクチュエータに並列にダイオードを接続し、放電時に
圧電アクチュエータに加わる負極性電圧を0ボルトにク
ランプすることで、上記の問題が解決される。また、ダ
イオードを接続した場合でも、充電時の電圧−変位特性
は、ダイオードなしの場合と全く同一に正常に動作する
【0016】
【実施例】以下、この発明について図面を参照して説明
する。図1は本発明の実施例である駆動回路のブロック
図、図2は出力電圧,出力電流のタイミングチャート図
である。図1は電源端子1と、電源端子1の入力電圧を
圧電アクチュエータ9が必要とする動作電圧に変換する
DC−DCコンバータ2,圧電アクチュエータ9の繰り
返し周波数を決定する発振回路3,圧電アクチュエータ
9の充放電時間をコントロールするタイミング制御回路
4,タイミング制御回路4からの制御信号によってON
,OFFを交互に繰り返す充電スイッチング素子5,放
電スイッチング素子6と圧電アクチュエータ9に直列に
接続されたリアクトル7および並列に接続されたダイオ
ード8から構成される。16,17は逆流防止用ダイオ
ードである。
【0017】次に、この回路の動作原理を、図1と図2
のタイミングチャートとを参照して詳述する。なお、図
2において、4aおよび4bは充電スイッチング素子5
,放電スイッチング素子6を制御する信号であり、上レ
ベルはON,下レベルはOFFであり、図2(a)(b
)に示すT1 ,T2 のタイミングになっている。
【0018】今、仮に図2に示す時刻T0 のタイミン
グであったとすると、図1で充電スイッチング素子5は
ONとなるので、DC−DCコンバータ2−充電スイッ
チング素子5−リアクトル7−圧電アクチュエータ9−
GNDの回路が構成され、圧電アクチュエータ9の端子
電圧9tは図2(c)に示す電圧値まで充電される。こ
のとき、圧電アクチュエータ9に流れる電流は、図2(
e)に示すIpcのようになる。次に、圧電アクチュエ
ータ9の電流が負になろうとすると、ダイオード16に
より阻止され、結果的に時刻T1 で、充電スイッチン
グ素子5をOFFすることになり、圧電アクチュエータ
9とDC−DCコンバータ2は切り離されるから、圧電
アクチュエータ9の端子電圧は図2(c)に示すように
最高電圧を維持する。
【0019】次に、時刻T2 のタイミングで放電スイ
ッチング素子6をONすると、圧電アクチュエータ9−
リアクトル7−放電スイッチング素子6−GNDの回路
が構成され、圧電アクチュエータ9に充電されていた電
荷は放電される。このとき、圧電アクチュエータ9に流
れる電流は図2(e)に示すIpdのようになる。また
、もしダイオード8が接続されていなければ、放電時に
負極性電圧が発生する。その様子を図2(d)に示す。 ダイオード8を図1のように圧電アクチュエータ9に並
列に接続することにより、負極性電圧は既略0ボルトに
クランプされて、圧電アクチュエータ9には負極性電圧
が印加されない。よって圧電アクチュエータ9の変位−
電圧特性は図3の0ボルト以上の印加電圧特性を示すこ
とになり、特性が安定する。
【0020】
【実施例2】図4は本発明の第2実施例である駆動回路
のブロック図である。この実施例は前記図1に示した第
1の実施例の充電スイッチング素子5に代えて、サイリ
スタ13を用いた点を除いて第1の実施例と同様である
。この実施例ではサイリスタ13の基本動作をPNPト
ランジスタ14とNPNトランジスタ15の組合せで実
現している。次に、この駆動回路の動作を説明する。 タイミング制御回路4からサイリスタ13にターンオン
信号4t0が印加されると、サイリスタ13はターンオ
ンし、DC−DCコンバータ2−サイリスタ13−リア
クトル7−圧電アクチュエータ9−GNDの回路が構成
される。
【0021】このとき、圧電アクチュエータ9に流れる
電流は、図2(e)を参照するとIpcのようになるが
、電流が最大値から減少しほぼ零になると同時に、サイ
リスタ13はその動作原理によりオフするため、圧電ア
クチュエータ9とDC−DCコンバータ2は切り離され
る。よって圧電アクチュエータ9の充電完了時点でタイ
ミング制御回路4によりサイリスタ13をオフする必要
がない。そのため、第2実施例の構成によれば、タイミ
ング制御回路の設計が簡単になり、また圧電アクチュエ
ータ9の静電容量が変動し、充電時間が変動しても、タ
イミング制御回路の時定数を調整する必要がない。
【0022】
【発明の効果】本発明のように、圧電アクチュエータに
直列にリアクトルを接続し、それらの直列共振回路の共
振周波数が駆動周波数よりも高くなるようにリアクトル
のインダクタンスを設定し、かつ圧電アクチュエータの
充放電電流が零になった時点で充放電スイッチを開くよ
うにし、さらに圧電アクチュエータに並列にダイオード
を接続することにより、圧電アクチュエータ充電時の電
源からの供給エネルギが半減され、充放電スイッチング
素子の許容電流値が小さくでき、かつ圧電アクチュエー
タを正極性で安定に動作することができる。また、静電
容量の大きな圧電アクチュエータでも効率よく容易に動
作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】  この発明の第1の実施例を示す駆動回路の
ブロック図
【図2】  駆動回路の出力電圧および圧電セラミック
アクチュエータに流れる電流の時間的推移を示す波形図
【図3】  圧電セラミックアクチュエータの印加電圧
−変位特性図
【図4】  この発明の第2実施例を示す駆動回路のブ
ロック図
【図5】  従来の一般的な駆動回路図
【符号の説明】
1  電源端子 2  DC−DCコンバータ 3  発振回路 4  タイミング制御回路 5  充電用スイッチ 6  放電用スイッチ 7  リアクトル 8  ダイオード 9  圧電セラミックアクチュエータ 10  放電抵抗 11  充電用増幅素子 12  放電用増幅素子 13  サイリスタ 14  PNPトランジスタ 15  NPNトランジスタ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流電源出力をスイッチング素子により駆
    動パルスに変換し、圧電セラミックアクチュエータを駆
    動する回路において、圧電セラミックアクチュエータに
    リアクトルを直列に接続し、前記リアクトルのインダク
    タンスを圧電セラミックアクチュエータの静電容量とリ
    アクトルのインダクタンスによる直列共振周波数が駆動
    周波数よりも高くなるように設定したことを特徴とする
    圧電セラミックアクチュエータ駆動回路。
  2. 【請求項2】請求項1に示す駆動回路において、圧電セ
    ラミックアクチュエータの充放電スイッチング素子を遮
    断するタイミングを、圧電セラミックアクチュエータに
    流れる電流が零になった時点とすることを特徴とする圧
    電セラミックアクチュエータ駆動回路。
  3. 【請求項3】請求項1に示す駆動回路において、圧電セ
    ラミックアクチュエータに並列にダイオードを接続し、
    放電時に圧電セラミックアクチュエータに負極性電圧が
    印加されないよう電圧をクランプすることを特徴とする
    圧電セラミックアクチュエータ駆動回路。
  4. 【請求項4】請求項1に示す駆動回路において、圧電セ
    ラミックアクチュエータの充電スイッチング素子がサイ
    リスタで構成されることを特徴とする圧電セラミックア
    クチュエータ駆動回路。
JP3124237A 1991-05-29 1991-05-29 圧電セラミックアクチュエータ駆動回路 Pending JPH04351200A (ja)

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